КЛ Спец констр МК

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Кафедра “МЕТАЛЕВІ КОНСТРУКЦІЇ”

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ З ДИСЦИПЛІНИ

“СПЕЦІАЛЬНІ БУДІВЕЛЬНІ КОНСТРУКЦІЇ І ІНЖЕНЕРНІ СПОРУДИ”

Макіївка, 2003 р.

2

3

РОЗДІЛ 1. БУДІВЕЛЬНІ КОНСТРУКЦІЇ З АЛЮМІНІЄВИХ СПЛАВІВ

(автор к.т.н., доцент Кликов В.М.)

Лекція 1

1. Особливості конструкцій з алюмінієвих сплавів

Конструкції з алюмінієвих сплавів мають свої достоїнства і недоліки. До достоїнств відносяться:

а) мала щільність в порівнянні із сталлю (приблизно в три рази менше) і висока міцність алюмінієвих сплавів забезпечують легкість конструкцій;

б) висока корозійна стійкість в середовищах, де сталь сильно корозує (концентрована азотна кислота; сірчисті нафти: з 3 років до 25 років);

в) збереження високих показників міцності і пластичності при низьких температурах (холодні райони; зберігання зрідженого водню при t= -253 оС);

г) добра відбивна здатність (для поліпшення температурного режиму будівель - в жаркому кліматі);

д) красивий сріблястий колір; е) антимагнітність; ж) нетоксичність;

з) нездатність до утворення іскр при ударах; і) краща (в порівнянні із сталлю) робота при високій сейсмічності (логарифмічний

декремент затухання їх коливань у 2,5 рази більше, ніж у сталі, тобто більш швидке затухання коливань, що важливе для мостів, кранів, висотних споруд);

к) конструкції зручні для перевезення і монтажу; л) малі витрати з експлуатації;

м) можливість заміни дерева в рамах (кращий вигляд і освітленість).

Крім того, конструкції з алюмінієвих сплавів мають загальні для металевих конструкцій достоїнства: індустріальність виготовлення, транспортабельність, можливість здійснення монтажу крупними блоками, разбірність, довговічність і надійність в експлуатації.

До недоліків відносяться:

а) низький модуль пружності Е=71000 МПа, тобто приблизно в 3 рази менше ніж у сталі - це погіршує стійкість стиснутих і стиснуто-зігнутих стержнів і підвищує деформативність конструкцій;

б) більш високий коефіцієнт лінійного розширення ( t =0.000023 1/оC - проти t

=0.000012 1/оC в сталі), що зменшує розміри температурних блоків, тобто збільшується витрата матеріалів (або збільшує температурні напруження в елементах конструкцій);

в) відносно висока вартість алюмінієвих сплавів (в 5-8 разів більше за одиницю ваги), що пов'язано з великою витратою теплової і електроенергії на отримання глинозему (Al2O3) і виробництво з нього алюмінієвих сплавів.

г) інтенсивна корозія в деяких середовищах (вологісно-лужне середовище; розчини хлоридів, , бромідів, фторидів, сірчана кислота середньої концентрації) і контактна корозія

4

електрохімії між алюмінієм і іншими металами або свіжими будівельними розчинами і бетоном.

Позитивних якостей в алюмінієвих конструкціях більше ніж негативних і, крім того, з багатьма недоліками знайдені ефективні методи боротьби, тому конструкції з алюмінієвих сплавів все ширше застосовуються в будівництві.

2. Області застосування конструкцій з алюмінієвих сплавів

Алюміній - порівняно новий будівельний матеріал. Початком його широкого застосування можна вважати другу половину 40-х років двадцятого століття, коли в багатьох країнах алюміній став досить широко використовуватися в несучих і огороджувальних конструкціях будівель і споруд.

У перші роки використання алюмінію в будівництві перевага надавалася великопрогоновим конструкціям мостів (наприклад, арочний міст в Канаді в 1950 р. прогоном арки 88,2 м і стрілою підйому 14,45 м виконаний із сплаву системи Al-Cu-Mg на заклепках із загальною витратою сплаву 181 т, тоді як сталі потрібно було б 435 т, тобто у 2,4 рази більше.); великопрогоновим будівлям (наприклад, ангар в Англії розмірами в плані 66х100м перекритий двошарнірними гратчастими рамами прогоном 66м і висотою у світлі 14м, виконаними із спеціально спроектованих пресованих профілів із сплаву системи Al-Mg- Si на заклепках; купольне перекриття виставкового павільйону США в Москві 1959г діаметром 60 і заввишки 27 м з витратою алюмінію 16 кг/м2 ; перекриття торговельного складу в Антверпені у вигляді двошарнірної рами прогоном 80м, гратчастий ригель якої складається із сплаву системи Al-Mg-Si, а стояки рами сталеві); розвідним і підйомним мостам (наприклад, в 1948г. у Сандерленді (Англія) побудований розвідний міст прогоном 26,4м виконаний з алюмінієвого сплаву системи Al-Cu-Mg, що дозволило знизити його масу більше ніж на 50%; конструкціям, які зводяться в важкодоступних місцях (наприклад, в гірських умовах будівництво телескопів, установка опор ЛЕП з алюмінієвих сплавів дозволили знизити масу конструкцій, що прискорило і здешевило транспортування і монтаж цих споруд в гірських умовах).

Як показують розглянуті приклади, алюмінієві сплави можуть з успіхом застосовуватися в конструкціях будівель і споруд різного призначення. Проте дефіцитність матеріалу і його висока вартість (в порівнянні із сталлю) істотно обмежують використання його в будівництві. Найбільш перспективне застосування алюмінієвих сплавів у будівництві

внайближчий час:

-в конструкціях з високим ступенем заводської готовності в огороджувальних і таких, що суміщують несучі і обгороджувальні функції використовуваних в покриттях будівель середніх і особливо великих прогонів, де зниження власної ваги конструкцій дає великий ефект;

-в несучих великопрогонових конструкціях покриттів будівель різного призначення при прогонах більше ніж 60м, коли зниження маси конструкцій досягає 300 і більше відсотків (в порівнянні із сталевими конструкціями);

5

-в несучих конструкціях покриттів будівель, які будуть експлуатуватися за наявності агресивного середовища, до якого алюміній має підвищену антикорозійну стійкість, а також при особливих експлуатаційних вимогах;

-в конструкціях будівель і споруд, що зводяться у віддалених і важкодоступних районах, доставка матеріалів і техніки в які, а також де монтаж і експлуатація конструкцій зв'язані з особливими труднощами і витратами;

-в збірно-розбірних конструкціях будівель і споруд різного призначення, встановлюваних у віддалених важкодоступних районах (наприклад, вежі для буріння, жилі будівлі для пошукових партій геологів і т.п.);

-в обгороджувальних конструкціях типу вітражів, дверей, віконних рам, підвісних стель, перегородок і т.п., до яких пред'являються вимоги герметизації, стерильності, архітектурної виразності і ін.;

-в спорудах сільськогосподарського призначення, таких як: силоси, зерносховища, фрукто- і овочесховища, теплиці; в місткостях для зберігання і транспортування продуктів, що мають агресивні до сталі властивості, а також в конструкціях, експлуатованих при низьких температурах (наприклад, внутрішня оболонка ізотермічного резервуара для зберігання рідкого водню).

У всіх випадках застосування конструкцій з алюмінієвих сплавів повинне бути обгрунтоване.

3.Матеріали алюмінієвих конструкцій

Алюміній - сріблясто-білий метал, розчинний в деяких кислотах і лугах (їдких). На повітрі алюміній швидко покривається щільною окисною плівкою, що оберігає поверхню виробу від подальшого окислення.

Показники основних фізичних властивостей алюмінію наступні: щільність =2700

кг/м3; модуль подовжньої пружності Е=71,0*103 МПа; модуль зсуву G=26,5*103 МПа;

коефіцієнт подовжньої температурної деформації t = 23*10-6 1/оС. Температура плавлення алюмінію технічної чистоти t пл=658 оС.

Алюміній одержують з глинозему Al2O3 шляхом електролізу, а глинозем одержують з руди. Виробництво виявляється вельми складним і енергоємним (тільки електроенергії витрачається до 1800 квт-годин на 1т технічного алюмінію), а це позначається на вартості, яка в 5-8 разів вище ніж в сталі.

Технічний алюміній для несучих будівельних конструкцій непридатний через низькі міцнісні показники т=30,0-40,0 і в=70,0-100,0 МПа. Підвищення міцнісних прочностных показників сплавів, що деформуються, досягається:

1) присадкою до алюмінію інших елементів (легування); 2) нагортовкою (наклеп) механічним шляхом; 3) термічною обробкою (гартування) з подальшим старінням, природним 3-5 днів або штучним при t=1800 оC 3-4 години.

Нормами проектування "Алюмінієві конструкції (БНіП 2.03.06-85)" рекомендуються до застосування в будівництві конструкції 6 систем:

1. Технічний чистий алюміній АД1М - листи, стрічки для обгороджувальних конструкцій: добре зварюється, корозієстійкий.

6

2.Сплави системи Al-Mn: АМцМ - листи, стрічки, труби для обгороджувальних і таких, що суміщають несучі і обгороджувальні функції конструкцій: мають високу корозійну стійкість, добре зварюються, але міцність невелика, термічно не зміцнюються.

3.Сплави системи Al-Mg: AMr2H2; AMr2M-листи, стрічки, труби для конструкцій, що суміщають несучі і обгороджувальні функції мають високу стійкість проти корозії, добре зварюються. При збільшенні змісту Mg (більше 35%) пластичність і корозійна стійкість значно знижуються, термічно не зміцнюються.

4.Сплави системи Al-Mg-Si (силуміни) АД31 - профілі для конструкцій, що суміщають несучі і обгороджувальні функції, сплави добре зварюються, стійкі проти корозії, добре поліруються і легко анодуються.

5.Сплави системи Al-Cu-Mg (дуралюміни) на даний час для будівельних конструкцій не рекомендуються.

6.Сплави системи Al-Mg-Zn - 1915, 1925, 1935 - профілі, труби - високої міцності і середньої корозійної стійкості, деякі сплави погано зварюються.

Останні три групи сплавів - термічно зміцнені - здатні до зміцнення після термічної обробки (гартування) в процесі старіння (природного - декілька днів або штучного - декілька годин).

До позначення марки сплаву додається позначення, яке вказує стан матеріалу в напівфабрикатах підданих тій або іншій обробці: М - м'яке (випалене); Н- нагартоване; Н2напівнагортоване; Т- загартоване і природно постарене; Т1загартоване і штучно постарене; Т4природно постарене після неповного гартування.

4.Вплив обробки на показники механічних властивостей. Вплив температури

Механічні властивості алюмінієвих сплавів залежать не тільки від хімічного складу, але і багато в чому від стану матеріалу виробу (напівфабрикату), в якому він знаходиться після термічної або механічної обробки.

Термічна обробка, призначена для підвищення міцності матеріалу, складається з гартування (різке охолоджування після витримування протягом 30-90 хвилин виробу, нагрітого до температури =5000С) і подальшого старіння, при якому в результаті структурних змін відбувається зміцнення матеріалу, старіння може відбуватися при кімнатній температурі декілька днів - природне старіння (менше роззміцнюється при зварюванні) або при підвищеній температурі 160-1800С більш інтенсивне в перебігу декількох годин - штучне старіння. При негативних температурах процес старіння сильно сповільнюється, чим користуються для заклепок: загартовані заклепки бережуть в холодильнику.

При зміцненні виробу механічним шляхом підвищене 0,2 залежить від ступеня деформації (нагортовки). Механічне зміцнення відбувається при виготовленні напівфабрикатів (прокатування, пресування) і залежить від форми і розмірів. Так для пресованих профілів характерне підвищення міцності із збільшенням товщини елементів перетину.

Після термічного гартування і механічної обробки напівфабрикатів їхні пластичні властивості погіршуються. Для поліпшення пластичних властивостей використовується

7

відпал - повільне охолоджування (не більше 300 оС на годину) виробу, нагрітого до температури 380-4300 оС.

Температури, при яких працюють конструкції, змінюються в значних межах. Зміна температури істотно позначається на показниках фізико-механічних властивостей сплавів алюмінію.

При збільшенні температури понад 500оС починається повільне зниження міцнісних характеристик. Ця зміна при температурах від t=50-1000 оС ураховується в розрахунках. При подальшому збільшенні температури продовжується все більш швидке зменшення міцнісних характеристик і при t=3000 оС підходить до нуля, тому при температурах експлуатації понад 1000 оС необхідно захищати конструкції будівель від нагріву.

При негативних температурах міцнісні характеристики значно підвищуються. Аналогічно змінюється і модуль пружності.

При негативних температурах (до –2000 оС) спостерігається поліпшення пластичних властивостей; відсутній поріг холодоламкості.

Коефіцієнт подовжньої температурної деформації t при температурі нижче –700 оС

починає різко падати, прагнучи до нуля при t=-273 оС.

5. Одержання напівфабрикатів з алюмінієвих сплавів. Сортамент

Листи і стрічки одержують прокаткою, причому для сплавів, які погано чинять опір корозії, провадиться плакування (покриття тонким шаром технічного алюмінію) з однієї або з двох сторін.

Профілі одержують екструзійним способом (шляхом пресування). Відмітною особливістю деформованих алюмінієвих сплавів є можливість отримання з них пресованих профілів з різноманітними і складними формами поперечного перетину (у тому числі і із замкнутими площинами), які не можуть бути виготовлені прокатом.

Профілі пресують на спеціальних горизонтальних гідравлічних пресах. В контейнер преса поміщають заготовку, що є злитком циліндричної або плоскої форми (для труб порожнистий циліндричний), нагрітий залежно від марки сплаву до температури 450-5200 оС. Під тиском поршня метал перетікає через профільоване очко матриці. Матриця для виготовлення порожнистих профілів має «язичок» з формою перетину, яка відповідає перетину порожнини пресованого профілю.

Максимальні розміри профілю повинні вписуватися в коло діаметром D=320 мм (на деяких заводах є преси з D=530 мм).

Швидкість пресування залежить від складу легуючих елементів і від ступеня складності форми перетину і складає від 3 до 60 м/хв .

Якщо проектований перетин елементів конструкцій не вписується в габаритне коло, то його можна проектувати складовим з декількох пресованих в поєднанні зі вставками з листового прокату.

На основні профілі і листи складені сортаменти. При проектуванні конструкцій необхідно передусім використати профілі, що є в сортаменті. Але можливість отримання напівфабрикатів екструзивним способом дозволяє проектувальнику в доповнення до стандартних профілів розробляти спеціальні профілі для конкретної конструкції. Природно,

8

що вартість таких профілів вище стандартних; вона пов'язана з необхідністю розробки і виготовлення спеціальних матриць, а також освоєнням пресування нових видів профілів і тому застосування їх повинно бути обгрунтовано.

В профілях з алюмінієвих сплавів для забезпечення тонкостінності застосовуються заходи щодо забезпечення місцевої стійкості виступаючих полиць за рахунок потовщень (бульб) на кінцях, а для стін – замкнутих перетинів.

6. Особливості конструювання і розрахунку елементів алюмінієвих конструкцій.

Норми проектування

Вибір типу профілю обмежується розмірами круга D3 20 мм (іноді D 530 мм) і, крім того, потрібно приймати, що вже застосовувалися, і по можливості відкритого перетину (приблизно в 2 рази дешевше). Мінімальна товщина стін і полиць профілю (за умов забезпечення місцевої стійкості стін і полиць) 1,5 мм для несучих конструкцій, розташованих усередині приміщень, і 3 мм для конструкцій, розташованих на відкритому повітрі; 0,3 мм - для панелей покрівлі і стін.

Розрахунок алюмінієвих будівельних конструкцій провадиться за методом граничних станів, який закріплений в нормах проектування алюмінієвих конструкцій, введених в дію з січня 1987р (БНіП 2.03.06.-85)

У нормах наведені рекомендації по використовуванню марок алюмінію і напівфабрикатів з них залежно від призначення конструкцій, які розбиті на чотири групи застосування:

група І - обгороджувальні і інші конструкції типу віконних і дверних заповнень, вітражів, підвісних стель, перегородок і т.п., -(використовуються технічний алюміній, термічно не зміцнені сплави і сплави системи Al-Mg-Si, з термічним зміцненням)

група II - конструкції, що виконують одночасно несучі і обгороджувальні функції: блоки покриттів, покрівельні і стінні панелі і т.п. (рекомендуються сплави систем Al-Mg; Al- Mg-Si і Al-Mg-Zn)

група III - несучі зварні конструкції: ферми, колони, прогони, просторові гратчасті покриття, збірно-розбірні конструкції каркасів будівель, покриття великих прогонів і т.д.(рекомендуються сплави систем Al-Mg; Al-Mg-Si і Al-Mg-Zn і литво АЛ8)

група IV - клепані конструкції, а також елементи конструкцій, що не мають зварних з'єднань (рекомендуються сплави систем Al-Mg; Al-Mg-Si; Al-Mg-Zn і АЛ8 в зміцненому стані).

Діаграма розтягування -- алюмінію не має вираженої площадки текучості, тому за межу текучості прийнято напруження відповідне залишковому подовженню, що дорівнює

0,2 %. Коефіцієнти надійності за матеріалом прийняті за межею текучості м=1.1; за межею міцності м=1.45. За розрахунковий опір приймається менше з двох значень, визначених за

0,2 і B (для температур від –65 оС до +500С). Для конструкцій, експлуатованих при температурах від +500С до +1000С, розрахункові опори знижуються: для алюмінію марок АД1 і АМц шляхом множення на коефіцієнт t = 0,85, а для інших сплавів - t =0,9.

На міцність конструкції розраховують за пружною стадією роботи матеріалу. Виняток становлять деякі види листових конструкцій, експлуатація яких дозволяється у стадії

9

розвитку пластичних деформацій. У цих випадках розрахунковий опір збільшується на 20 - 40%.

Значення коефіцієнтів умов роботи с для елементів алюмінієвих конструкцій прийняті дещо нижче, ніж для сталевих конструкцій.

У зв'язку із зниженим значенням модуля пружності граничні значення гнучкості для стиснутих і для розтягнутих елементів алюмінієвих конструкцій встановлені на 20-30 % нижче, ніж для сталевих. На 25% знижена гранична гнучкість для окремої вітки складових стиснутих елементів ([ ]=30, проти [ ]= 40 для сталевого стержня). Аналогічно і для відстаней між прокладками, шайбами для складових стиснутих елементів, що розраховуються як суцільностінчасті, зменшено до 30і (проти 40і).

Граничні прогинання для алюмінієвих балок встановлені такими ж, як для сталевих, але при відповідному обгрунтовуванні норми допускають збільшення граничного прогинання на 20-25 %.

При визначенні прогинання в конструкціях з будівельним підйомом, ураховується тільки різниця.

Температурні блоки зменшуються в порівнянні із сталевими конструкціями: по довжині до 130-150м проти 200-230м; по ширині - 80-100м проти 130-150м.

Ураховуючи малий модуль пружності необхідно застосовувати для несучих конструкцій найбільш жорсткі системи: нерозрізні балки, безшарнірні арки, рами: наскрізні конструкції з шпренгельними, ромбічними, хрестовими, багаторозкісними гратками; тригранні елементи; суцільні просторові системи.

У змішаних конструкціях необхідно ураховувати різницю температур. Монтажні і укрупнені з'єднання раціонально проектувати болтовими.

7. Розрахунок елементів конструкцій з алюмінієвих сплавів

Розрахунок елементів з алюмінієвих сплавів проводиться за тими ж формулами, що і сталевих.

а) центрально-розтягнуті елементи.

Використовування алюмінієвих сплавів замість сталі в центрально-розтягнутих стержнях дозволяє істотно знизити їхню масу. Центрально-розтягнуті стержні розраховуються на міцність за формулою N=<AnRy с (по пружній стадії роботи).

б) центрально-стиснуті елементи. Короткі стержні розраховуються, як і розтягнуті, по

виявляється не доцільним. При гнучкостях 100-120 витрата алюмінієвих сплавів і сталі приблизно однакова. Слід зазначити, що використовування сплавів високої міцності в стислих стержнях мало ефективно навіть при малих гнучкостях. Для зменшення гнучкості потрібно розвивати переріз, його габарити.

10